1、太陽電池吸收太陽光就能產生一般電池的功能。但是和傳統的電池不一樣，傳統電池的輸出電壓和最大輸出功率是固定的，而太陽電池的輸出電壓、電流，功率則是和光照條件及負載的工作點關。正因如此，要應用太陽電池來產生電力，必須了解太陽電池的電流-電壓關系，及工作原理。太陽光的頻譜照度：太陽電池的能量來源是太陽光，因此入射太陽光的強度(intensity)與頻譜(spectrum)就決定了太陽電池輸出的電流與電壓。我們知道，物體置放于于陽光下，其接受太陽光有二種形式，一為直接direct)接受陽光，另一為經過地表其它物體散射后的散射(diffuse)陽光。一般情況下，直接入射光約占太陽電池接受光的80%。因此

2、，我們下面的討論也以直接著實陽光為主。太陽光的強度與頻譜，可以用頻譜照度(spectrumirradiance)來表達，也就是單位面積單位波長的光照功率W/m，um)。而太陽光的強度(W/m)，則是頻譜照度的所有波長之總和。太陽光的頻譜照度則和測量的位置與太陽相對于地表的角度有關，這是因為太陽光到達地表前，會經過大氣層的吸收與散射。位置與角度這二項因素，一般就用所謂的空氣質量airmass,AM)來表示。對太陽光照度而言，AMO是指在外太空中，太陽正射的情況，其光強度約為1353W/tf，約等同于溫度5800K的黑體輻射產生的光源。AMI是指在地表上，太陽正射的情況，光強度約為925W/m2O

3、AMI.5足指在地表上，太陽以45度角入射的情況，光強度約為844W/m。一般也使用AM1.5來代表地表上太陽光的平均照度。太陽電池的電路模型：一個太陽電池沒有光照時，它的特性就是一個p-n結二極管。而一個理想的二極管其電流-電壓關系可表為其中丨代表電流，V代表電壓，Is是飽和電流，和VT=KBT/qO,其中KB代表BoItzmann常數，q0是單位電量，T是溫度。在室溫下，VT=0.026v。需注意的是，P-n二極管電流的方向是定義在器件內從P型流向n型，而電壓的正負值，則是定義為P型端電勢減去n型端電勢。因此若遵循此定義，太陽電池工作時，其電壓值為正，電流值為負，I-V曲線在第四象限。這里

4、必須提醒讀者的是，所謂的理想二極管是建立在許多物理條件上，而實際的二極管自然會有一些非理想(nonideal)的因素影響器件的電流-電壓關系，例如產生-復合電流，這里我們不多做討論。當太陽電池受到光照時，p-n二極管內就會有光電流。因為p-n結的內建電場方向是從n型指向p型，光子被吸收產生的電子-空穴對，電子會往n型端跑，而空穴會往p型端跑，則電子和空穴二者形成的光電流會由n型流到p型。一般二極管的正電流方向是定義為由p型流到n型。這樣，相對于理想二極管，太陽電池光照時產生的光電流乃一負向電流。而太陽電池的電流-電壓關系就是理想二極管加上一個負向的光電流IL,其大小為：也就是說，沒有光照的情況

5、，IL=0,太陽電池就是一個普通的二極管。當太陽電池短路時，也就是V=0,其短路電流則為Isc=-IL.也就是說當太陽電池短路，短路電流就是入射光產生光電流。若太陽電池開路，也就是你I=0,其開路電壓則為：(a)Equivalentcircuitx/WW''*(b)Equivalentcircuitwith自seriesandashuntresistance圖二、太陽電池的等效電路：（a）無，（b）有串聯和分流電阻的情況。這里必須強調的是，開路電壓和短路電流時太陽電池特性的二個重要參數。太陽電池輸出的功率就是電流和電壓的乘積：很明顯，太陽電池輸出的功率并非是個固定值，它在某個電

6、流電壓工作點達到最大值，而這最大輸出功率Pmax,則可由dp/dv=O來決定。我們可以推導得出最大輸出功率Pmax時的輸出電壓為：和輸出電流為：而太陽電池最大輸出功率就是：太陽電池的效率就是指太陽電池將入射光的功率Pin轉換成最大輸出電功率的比例，也就是:一般的太陽電池的效率測量，都是使用pin=1000W/m，的類似太陽光的燈光光源。實驗上，太陽電池的電流-電壓關系并沒有完全地遵循上訴的理論描述，這是因為光生伏特器件本身存在所謂的串聯電阻(seriesresistance)和分流電阻(shuntresistance)。對于任何半導體材料，或是半導體與金屬的接觸，不可避免的都會有或多或少的電阻

7、，它們就會形成光生伏特器件串聯電阻。另一方面，光生伏特器件的正負電極間，存在任何非經由理想P-n二極管的其它電流的通道，都會造成所謂的漏電流(leakagecurrent)，例如器件中的產生-復合(generation-recombination)電流，表面復合(surfacerecombination)電流，器件的邊緣隔離(edgeisolation)不完全，和金屬接觸穿透結。通常，我們用分流電阻(shuntresistance)來定義太陽電池的漏電流大小，也就是Rsh=V/lleak。分流電阻越大，就表示漏電流越小。如果考慮申聯電阻Rs和分流電阻Rsh，太陽電池的電流-電壓關系則可寫成：我

8、們還可以只用一個參數，就是所謂的填充因子(fillfactor),來同時概括串聯電阻與分流電阻這兩個效應。定義為:很明顯，如果沒有串聯電阻，且分流電阻無窮大(沒有漏電流)時，填充因子最大。任何串聯電阻的增加或分流電阻的減少都會減少填充因子。如此一來，。太陽電池的效率就可以由三個重要參數：開路電壓Voc、短路電流Isc、和填充因子FF來表達。顯然，要提高太陽電池的效率，則要同時增加其開路電壓、短路電流(亦即光電流)，和填充因子(亦即減少串聯電阻與漏電流)。開路電壓與短路電流：由前面的公式來看，太陽電池的開路電壓是由光電流與飽和電池來決定。從半導體物理的觀點，開路電壓就等于空間電荷區中電子和空穴間

9、的Fermi能差。至于理想P-n二極管的飽和電流，則可以用：來表達。其中qO代表單位電量，ni代表半導體的intrinsic載流子濃度，ND和NA各代表施主和受體主的濃度，Dn和Dp各代表電子和空穴的擴散系數，上面的表達式是假設n-型區和p-型區都很寬的情況。一般使用p-型基板的太陽電池，n-型區都非常淺，上面的表達式是須要修改的。前面我們提到，當光照太陽電池時產生光電流，而光電流就是太陽電池電流-電壓關系中的閉路電流，這里我們就光電流的由來，做一簡單敘述。載流子在單位時間單位體積中的產生率(單位m-3s-1)是由光吸收系數來決定，也就是gL(x)=anc(l-R)e其中a代表光吸收系數,坯nc是入射光子強度(或稱為光子流量密度),九(1-5R指反射系數，因此代表沒有被反射的入射光子強度。而產生光電流的主要三個機制為：少數載流子電子在P-型區的擴散電流、少數載流子空穴在n-型區的擴散電流、電子和空穴在空間電荷區的漂移電流。因此光電流約可表達為：其中Ln各Lp各代表p-型區電子和n-型區空穴的擴散長度，是空間電荷區的寬度。歸納這些結果，可得到開路